CN103302293B - 一种喷射沉积的致密化装置及其应用 - Google Patents

一种喷射沉积的致密化装置及其应用 Download PDF

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本发明公开了一种喷射沉积的致密化装置及其应用。所公开的装置包括转轴，该转轴上固定有多个旋球，并且每个旋球通过柔性链固定在转轴上；转轴转动时：多个旋球分布呈一绕转轴的螺旋线，该螺旋线的延伸方向同转轴的轴向，沿螺旋线、同转轴的转动方向，柔性链的长度呈周期性变化，且每个周期内：同转轴的转动方向，柔性链的长度逐渐增大，螺旋线的螺距为30～50mm，沿螺旋线，相邻两个旋球球心之间的圆心角为10°～15°。在喷射沉积的同时利用该致密化装置中的多个旋球对沉积坯表面的撞击，在剪切作用下产生冶金结合，通过喷射沉积过程中管坯的旋转对沉积坯进行逐层致密，累积实现整体致密，得到高性能的管材。

Description

一种喷射沉积的致密化装置及其应用
技术领域
本发明属于金属材料加工技术领域，具体涉及一种喷射沉积致密化装置、喷射沉积设备及利用该喷射沉积设备制备铝合金管的加工方法。
背景技术
与传统铸造、粉末冶金等其它材料成形和制备方法相比，喷射沉积不仅有传统铸造一步成形的优点，而且有快速凝固冷却速率高的优点，是一种间于制造与粉末冶金之间的另一种金属成形工艺。
喷射沉积工艺虽存在经济、适用范围广的优点，但喷射沉积态坯料的相对密度一般为85%～90%，坯料中存在大量微孔，颗粒之间、颗粒与层界面之间均未达到完全的冶金结合，这样带来了两方面的问题：首先是材料力学性能下降，特别是高温力学性能因孔洞存在而大幅下降；其次是在成形性能上几乎没有塑性。因此必须通过后续致密工艺来提高其力学性能和成形性能。
关于喷射沉积材料致密化技术，如CN102151829公开的一种喷射成形沉积坯锭的辅助致密超声振动沉积装置、CN101104879公开的喷射沉积多孔铝合金及其复合材料的陶粒轧制变形方法及装置、CN101168177公开的喷射沉积多孔铝合金及其复合材料的梯温楔压变形方法及装置和CN1873043公开的大型喷射沉积件的致密化加工方法及装置，主要应用与锭坯、块坯、环坯和板坯，而不能应用于管坯。
对喷射沉积多孔管坯而言，目前最有效且实用的后续加工方法就是挤压与强力旋压，通过坯料挤压时的剪切流动，孔洞被拉长、分散乃至焊合，有效提高材料的塑性变形能力和力学性能；强力旋压进一步将管坯加工至所需尺寸并改善其力学性能。然而，受设备吨位、专用性及模具尺寸的限制，热挤压对大尺寸（直径大于等于300mm）管坯的成形加工由于高昂的成本而难以实现，而旋压成形对管坯材料的成形性能有较高的要求。
发明内容
本发明的目的之一在于提供一种喷射沉积的致密化装置。
本发明的喷射沉积的致密化装置包括转轴，该转轴上固定有多个旋球，并且每个旋球通过柔性链固定在转轴上；
所述多个旋球及相应的柔性链在转轴上的分布规律为：
转轴转动时：
多个旋球分布呈一绕转轴的螺旋线，该螺旋线的延伸方向同转轴的轴向，
沿所述螺旋线、同转轴的转动方向，柔性链的长度呈周期性变化，且每个周期内：同转轴的转动方向，柔性链的长度逐渐增大。
本发明提供的喷射沉积的致密化装置中旋球在转轴表面呈螺旋式分布，在旋转过程中对基底表面的喷射沉积层撞击更为全面，在沉积坯表面沿轴线方向的撞击密度更大，且能完全覆盖沉积管坯表面。具体来说，沿转轴的转动周向，旋球的柔性链长度采用周期性、且每个周期内递增的方式分布，可以使旋球撞击基底表面沉积层时，沉积坯表面的周向撞击区域更宽。
本发明的喷射沉积的致密化装置的其他技术特征为：
所述螺旋线的螺距为30～50mm。
沿所述螺旋线，相邻两个旋球球心之间的圆心角为10°～15°。
在所述螺旋线上，多个旋球之间等距分布，且共轴的旋球的柔性链长度相等。
所述每个周期的周向旋转角度为360°。
所述转轴的半径为150～250mm，所述每个周期内，柔性链长度的变化范围为[260mm，380mm]。
所述旋球的直径为10～20mm。
本发明的另一目的是提供上述喷射沉积的致密化装置用于加工金属合金管的应用。具体利用上述喷射沉积的致密化装置对喷射沉积加工过程中的铝合金管进行致密时，金属管坯基底的轴心线与转轴的轴心线平行，金属管坯基底与转轴的转动方向相同，利用旋球撞击基底表面对金属管坯基底表面的沉积层进行致密。
利用本发明的喷射沉积的致密化装置加工金属合金管的特点在于：
（1）喷射沉积过程中同时通过旋球系统对沉积表面的撞击对沉积坯进行逐层致密，能避免挤压或者热压等致密工艺造成的致密不均匀的现象，获得均匀的致密。
（2）由于在喷射沉积的同时进行致密，喷射沉积过程中由于熔滴带来的热量，沉积坯表层保持高温，可以直接对沉积坯进行致密化，而无需采用其他热源来进行加热，与其他致密化方法相比能节约大量能源，同时大大缩短生产周期，节约生产成本。
（3）本致密法采用小变形逐层致密实现沉积坯的整体致密，所需能量小，能避免其他喷射沉积坯致密时所需的大吨位致密设备。
（4）由于旋球与雾化气体接触保持相对较低的温度，在喷射沉积过程中旋球与沉积坯表层的接触带走沉积表层的热量，提高沉积坯表层的冷却速率，使基体合金的弥散粒子和晶粒更细小，并由于旋球对沉积坯表层的撞击产生塑性变形使位错密度增加，提高材料的细晶强化、弥散强化和高密度位错强化的效果，从而进一步提高复合材料的力学性能。
（5）本方法能保留喷射沉积坯显微组织均匀的特点，特别是对于颗粒增强复合材料，能避其他致密方法导致的增强颗粒分布不均匀的现象，从而保证力学性能的均匀性。
（6）基底与转轴的转动方向相同，利用旋球与基底表面相向撞击对沉积层进行致密。
本发明的又一目的是提供上述喷射沉积的致密化装置用于加工铝合金管的应用。
具体利用上述喷射沉积的致密化装置对喷射沉积加工过程中的铝合金管进行致密时，
铝基管坯基底的转动速度为20～30rad/min；
转轴的转动速度为300～400rad/min。
用两套上述喷射沉积的致密化装置对喷射沉积加工过程中的铝合金管进行致密，两套喷射沉积的致密化装置分别位于铝基管坯基底的两侧，铝基管坯基底的轴心线以及两个转轴的轴心线三者共平面。
采用本发明的致密化装置加工的的铝基复合材料管具有显微组织弥散细小、增强颗粒分布均匀、力学性能优良、致密化效果好的优点。
附图说明
图1为本发明致密化装置的结构示意图；
图2为本发明致密化装置上多个旋球分布的整体结构说明示意图，其中M1、M2、M3代表共轴线的三个旋球，N1、N2代表另一共轴线的两个旋球，P1、P2、P3代表又一共轴线的三个旋球，O代表转轴轴心线上的一点，从a1至a8代表图示螺旋线的旋转方向；
图3为沿轴向看，本发明致密化装置上多个旋球分布的简化示意图；
图4为旋球挤压撞击的工作原理图，该图中，A为转轴轴心线上的一轴心线上的一轴心；B为基底轴心；在撞击区域CBE内，C为柔性链最短的旋球球心；D为柔性链居中的旋球球心；E为柔性链最长的旋球球心；
图5为利用本发明的致密化装置进行喷射沉积加工时的设备结构示意图；
图6为实施例中制备的SiCP/Al‐8.5Fe‐1.3V‐1.7Si复合材料金相显微组织；
图7为实施例中制备的SiCP/Al‐8.5Fe‐1.3V‐1.7Si复合材料透射电镜照片；
图中各代码表示：1‐转轴、2‐旋球、3‐柔性链、4‐双环缝复合雾化器、5‐雾化腔、6‐致密化装置、7‐基底、8‐金属管坯基底转轴。
具体实施方式
本发明的共轴线旋球指的是平行于转轴轴心线的同一排旋球。
以下结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细解释说明。
参考图1-图3，当转轴1转动时：多个旋球2在转轴1四周分布成一绕转轴1的螺旋线，该螺旋线的延伸方向同转轴1轴向，具体可参考图2中的a1-a8箭头所指示的延伸旋转方向，该螺旋线的螺距为30～50mm，在该螺旋线上，相邻两个旋球球心之间的圆心角为10°～15°，如图2所示的∠M2ON2取值范围为10°～15°，并且，在该螺旋线上、同转轴的转动方向，固定旋球2用的柔性链3的长度是呈周期性变化的，且在每个周期内，同转轴的转动周向，柔性链3的长度逐渐增大。
为起到均匀与致密化高的致密效果，在多个旋球形成的螺旋线上，多个旋球之间等距分布，且共轴线旋球的柔性链长度相等，如图2中的共轴线M1、M2、M3三个旋球的柔性链长度相等，旋球N1、N2的柔性链长度相等。另外，上述每个周期的周向旋转角度为360°，如图2中螺旋线上P1至P2的旋转角度为360°、P2到P3的旋转角度为360°。
根据的加工特性和本发明的设备的工作原理，转轴的半径为150～250mm，每个周期内，柔性链变化范围为[260mm，380mm]。旋球直径为10～20mm，且旋球为耐磨性材料，且其耐磨性优于待加工的金属材料。
参考图4，在采用上述分布尺寸的情况下，转轴旋转一周，在基底的轴向一个螺距范围（30～50mm）内，大约有24个旋球撞击沉积层；同时在圆周方向，在表面的致密区域为CDE区域，夹角CBE为22.5°；随着沉积坯的转动，能保证旋球在沉积坯旋转过程能完全覆盖沉积坯表面且保证致密化的均匀性。
本发明中的柔性链3可选用直径为1.5～2.5mm的细钢索，优选2mm。
以下是发明人提供的具体实施例，需要说明的是，该实施例是用以对本发明作进一步的解释说明，本发明的保护范围并不限于该实施例。
实施例：
该实施例中通过坩锅移动式喷射共沉积装置制备SiCP/Al‐8.5Fe‐1.3V‐1.7Si复合材料管坯。增强颗粒为机械破碎的β‐SiC作，平均粒径约为10μm。
该实施例中所用设备总体结构如图5所示，其包括雾化腔5、双环缝复合雾化器4、金属基底转轴8和两套喷射沉积的致密化装置6，其中雾化器4置于雾化腔5顶部且位于金属管坯基底转轴8的上方，金属管坯基底转轴8和喷射沉积的致密化装置6安装于雾化腔内；喷射沉积的致密化装置的转轴与管坯基底转轴并列设置，且喷射沉积的致密化装置的转轴的轴长略大于或等于管坯基底转轴的轴长，喷射沉积的致密化装置6的转轴1与金属管坯基底转轴8均可进行垂直方向的运动。两套喷射沉积的致密化装置6的转轴1与金属管坯基底转轴8并列设置，且三根轴心线位于同一水平面。采用螺杆给料负压引流装置输送SiC增强颗粒。
旋球2直径为20mm，转轴1半径为200mm，轴长为450mm，每一周期内，旋球2的柔性链3长度变化范围为260mm～380mm。
采用中频感应炉熔炼中间合金：Al-40Fe和Al-40Fe-10V，感应炉功率为50～80kW，熔炼温度为1050℃；再在80kg级井式电阻炉中熔炼Al、Si后，配合Al-40Fe和Al-40Fe-10V中间合金最终获得Al-8.5Fe-1.3V-1.7Si（FVS0812）；金属管坯基底为纯铝、内径为280mm、外径为300mm、轴向长为400mm。本实施例中的的铝基底在喷射沉积前外表面进行去油污和粗糙化处理，且在喷射沉积前基底内预热至400～500℃，以保证喷射沉积时沉积颗粒被基底捕获。
喷射装置的液流直径为3.6mm，雾化气体压力为0.8MPa，喷射高度为200mm，SiC颗粒输送压力为0.5MPa，坩锅沿环形基底轴向往返扫描一次约30秒金属管坯基底的转动速度为20～30rad/min；两个转轴1的转动速度均为300～400rad/min；
装置运行时，保持金属管坯基底水平与垂直运动与转轴水平与垂直运动均位于同一水平位置，以确保致密过程中旋球能完全覆盖沉积坯。且运行过程中随着沉积层厚度的增加，随时调节转轴与铝基管坯基底表面之间的距离，保证在柔性链近似垂直于金属管坯表面的情况下旋球撞击沉积层。
喷射沉积装置在金属管坯上逐层沉积的同时通过旋球对于坯表层的沉积层撞击产生局部塑性变形，使塑性变形区域的孔洞破碎、弥合，从而实现塑性变形区域的致密化。通过金属管坯在喷射沉积过程中的旋转，旋球对金属管坯表面撞击实现沉积坯的逐层致密，累积实现整个沉积坯的整体致密。
本实施例中的SiCP/Al-8.5Fe-1.3V-1.7Si复合材料管材中，如图6所示，该图中黑点为SiC颗粒，SiC颗粒体积分数约为10%，且SiC颗粒在基体中均匀分布，与基体结合良好，基体组织致密均匀，未发现明显的孔洞。
图7为喷射沉积SiCP/Al-8.5Fe-1.3V-1.7Si复合材料经旋球同步致密后复合材料Al-8.5Fe-1.3V-1.7Si基体的透射电镜照片，从图7可以看出，图中黑色颗粒为基体中的Al12(Fe,V)3Si弥散粒子，基体铝合金的的平均晶粒尺寸约为800nm，基体中的Al12(Fe,V)3Si弥散粒子约为100nm。
通过旋球同步致密后的管材致密性能好，致密后的SiCP/Al-8.5Fe-1.3V-1.7Si复合材料相对密度达99.2%。

Claims (10)

1.一种喷射沉积的致密化装置，其特征在于，包括转轴，该转轴上固定有多个旋球，并且每个旋球通过柔性链固定在转轴上；
所述多个旋球及相应的柔性链在转轴上的分布规律为：
转轴转动时：
多个旋球分布呈一绕转轴的螺旋线，该螺旋线的延伸方向同转轴的轴向，
沿所述螺旋线、同转轴的转动方向，柔性链的长度呈周期性变化，且每个周期内：同转轴的转动方向，柔性链的长度逐渐增大。
2.如权利要求1所述的喷射沉积的致密化装置，其特征在于，所述螺旋线的螺距为30～50mm。
3.如权利要求1所述的喷射沉积的致密化装置，其特征在于，沿所述螺旋线，相邻两个旋球球心之间的圆心角为10°～15°。
4.如权利要求1所述的喷射沉积的致密化装置，其特征在于，在所述螺旋线上，多个旋球之间等距分布，且共轴的旋球的柔性链长度相等。
5.如权利要求1所述的喷射沉积的致密化装置，其特征在于，所述每个周期的周向旋转角度为360°。
6.如权利要求1所述的喷射沉积的致密化装置，其特征在于，所述转轴的半径为150～250mm，所述每个周期内，柔性链长度的变化范围为[260mm，380mm]。
7.如权利要求1所述的喷射沉积的致密化装置，其特征在于，所述旋球的直径为10～20mm。
8.权利要求1‐7任一权利要求所述的喷射沉积的致密化装置用于加工金属合金管的应用，其特征在于，金属管坯基底的轴心线与转轴的轴心线平行，金属管坯基底与转轴的转动方向相同，利用旋球撞击基底表面对金属管坯基底表面的沉积层进行致密。
9.利用权利要求8所述应用加工铝合金管，其特征在于，铝基管坯基底的转动速度为20～30rad/min；转轴的转动速度为300～400rad/min。
10.如权利要求9所述的应用，其特征在于，用两套上述喷射沉积的致密化装置对喷射沉积加工过程中的铝合金管进行致密，两套喷射沉积的致密化装置分别位于铝基管坯基底的两侧，铝基管坯基底的轴心线以及两个转轴的轴心线三者共平面。
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